Aufbau eines agilen Produktionssystems zur Batteriefertigung

Die flexible Fertigung von Batterien lässt sich auf den aktuell verbreiteten, starren Produktionslinien nicht realisieren. Dies resultiert in einem von den Zellherstellern getriebenen Markt, in dem eigens spezifizierte Zellen mit kleiner und mittlerer Stückzahl kaum verfügbar sind. Daher soll am KIT im Rahmen des Projektes AgiloBat2 eine agile Batteriezellfertigung aufgebaut werde. Das Ziel ist es, Zellen sowohl stückzahl-, material- als auch formatflexibel fertigen zu können.

Das Vorhaben gliedert sich für das KIT in vier Arbeitspakete. In einem ersten Schritt wird das Zellverbunddesign für den geforderten flexiblen Zellbau detailliert. Hierzu ist unter anderem eine umfangreiche elektrische und thermische Auslegung notwendig, um Zellen unterschiedlicher Größe zu einem Verbund zusammenschalten zu können. Das zweite Arbeitspaket übernimmt die ermittelten Zellbauformen und deren benötigte Anzahl und überführt diese in ein Prozessdesign. Hierfür ist ein digitaler Zwilling aufgebaut worden, mit dem das physische Produktionssystem in der digitalen Welt abgebildet werden kann. So wird es ermöglicht, unterschiedliche Produktionskampagnen abzubilden, sowie eventuell entstehende Produktionsengpässe frühzeitig zu erkennen. Der Aufbau der physischen Produktionsanlage erfolgt im dritten Arbeitspaket. Hierfür erfolgt eine einheitliche Modulkonstruktion, auf deren Basis anschließend die einzelnen Produktionsmodule konzipiert und aufgebaut werden. Diese werden in einzelnen Microenvironments untergebracht, die ebenfalls aufgebaut werden müssen. Abschließend erfolgt die Inbetriebnahme des Gesamtsystems inklusive dem zugehörigen Materialflusssystem. Ein letztes Arbeitspaket des Projektes beschäftigt sich mit der Qualitätssicherung im aufgebauten Produktionssystem. Hierfür werden Zellkampagnen gefahren und zuvor definierte Qualitätsparameter überwacht, sowie in einer zentralen Datenbank abgespeichert.

Die wesentlichen Ergebnisse des KIT belaufen sich auf den Aufbau, sowie die Inbetriebnahme des agilen Produktionssystems (Impressionen siehe Abbildung 1). Durch den Einsatz einer modularen Gesamtbauweise, bestehend aus einheitlichen hardware- sowie steuerungstechnischen Schnittstellen kann eine schnelle Rekonfiguration des entstandenen Produktionssystems erreicht werden. Dies ermöglicht es, auch zukünftige Prozessentwicklungen integrieren zu können. Gleichzeitig wurde durch das Zusammenspiel zwischen Anlagen unterschiedlicher Skalierungsgrößen die Interoperabilität dieser sichergestellt.

Auch kann durch den Einsatz von Microenvironments der Energiebedarf innerhalb der Batteriezellproduktion deutlich reduziert werden. Die Leistungsaufnahme des aufgebauten Systems ist, normalisiert auf das zu klimatisierende Luftvolumen, vergleichbar mit industriellen Anlagen. Die Reduktion des Produktionsvolumens hat somit einen direkten Einfluss auf die Reduktion der Betriebskosten und des Kohlenstoff-Fußabdrucks.

Des Weiteren wurde die Anlagenverkettung der einzelnen Produktionsmodule erarbeitet und umgesetzt. Hierzu ist ein Magazinkonzept entwickelt worden, in dem die Zwischenprodukte sicher transportiert werden können. Bis zu vier Magazine werden von dem zentralen Handhabungsroboter eines jeden Microenvironments in eine diffusionsdichte Transportbox geladen, welche anschließend ausgeschleust und an ein fahrerloses Transportsystem übergibt. Auf diesem Wege ist auch die Verkettung der verschiedenen Microenvironments untereinander flexibel ermöglicht worden.